JP3117280B2 - ガス拡散電極への固体高分子電解質充填法及びその装置 - Google Patents
ガス拡散電極への固体高分子電解質充填法及びその装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池や電解装置等
に用いられるガス拡散電極に固体高分子電解質を充填す
る方法及びその装置に関する。
に用いられるガス拡散電極に固体高分子電解質を充填す
る方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、資源の枯渇問題を有する石
化燃料を使う必要がない上、騒音をほとんど発生せず、
エネルギの回収効率も他のエネルギ機関と較べて非常に
高くできる等の優れた特徴を持っているため、例えばビ
ルディング単位や工場単位の比較的小型の発電プラント
として利用されている。
化燃料を使う必要がない上、騒音をほとんど発生せず、
エネルギの回収効率も他のエネルギ機関と較べて非常に
高くできる等の優れた特徴を持っているため、例えばビ
ルディング単位や工場単位の比較的小型の発電プラント
として利用されている。
【０００３】近年、この燃料電池を車載用の内燃機関に
代えて作動するモータの電源として利用し、このモータ
により車両等を駆動することが考えられている。この場
合に重要なことは、反応によって生成する物質をできる
だけ再利用することは当然のこととして、車載用である
ことからも明らかなように、余り大きな出力は必要でな
いものの、全ての付帯設備と共に可能な限り小型である
ことが望ましく、このような点から固体高分子電解質膜
燃料電池が注目されている。そして、かかる固体高分子
電解質膜燃料電池にはガス拡散電極が用いられている。
代えて作動するモータの電源として利用し、このモータ
により車両等を駆動することが考えられている。この場
合に重要なことは、反応によって生成する物質をできる
だけ再利用することは当然のこととして、車載用である
ことからも明らかなように、余り大きな出力は必要でな
いものの、全ての付帯設備と共に可能な限り小型である
ことが望ましく、このような点から固体高分子電解質膜
燃料電池が注目されている。そして、かかる固体高分子
電解質膜燃料電池にはガス拡散電極が用いられている。
【０００４】ここで、一例として固体高分子電解質膜燃
料電池本体の基本構造を図２を参照しながら説明する。
同図に示すように、電池本体０１は固体高分子電解質膜
０２の両側にガス拡散電極０３Ａ，０３Ｂが接合される
ことにより構成されている。そしてこの接合体は、固体
高分子電解質膜０２の両側にガス拡散電極０３Ａ，０３
Ｂを合せた後、ホットプレス等することにより製造され
る。また、ガス拡散電極０３Ａ，０３Ｂはそれぞれ触媒
が担持された反応層０４Ａ，０４Ｂ及びガス拡散層０５
Ａ，０５Ｂが接合されたものであり、電解質膜０２とは
反応層０４Ａ，０４Ｂの表面が接触している。したがっ
て、電池反応は主に電解質膜０２と反応層０４Ａ，０４
Ｂとの間の接触面で起こる。
料電池本体の基本構造を図２を参照しながら説明する。
同図に示すように、電池本体０１は固体高分子電解質膜
０２の両側にガス拡散電極０３Ａ，０３Ｂが接合される
ことにより構成されている。そしてこの接合体は、固体
高分子電解質膜０２の両側にガス拡散電極０３Ａ，０３
Ｂを合せた後、ホットプレス等することにより製造され
る。また、ガス拡散電極０３Ａ，０３Ｂはそれぞれ触媒
が担持された反応層０４Ａ，０４Ｂ及びガス拡散層０５
Ａ，０５Ｂが接合されたものであり、電解質膜０２とは
反応層０４Ａ，０４Ｂの表面が接触している。したがっ
て、電池反応は主に電解質膜０２と反応層０４Ａ，０４
Ｂとの間の接触面で起こる。
【０００５】例えばガス拡散電極０３Ａを酸素極、ガス
拡散電極０３Ｂを水素極とし、各々のガス拡散層０５
Ａ，０５Ｂを介して酸素、水素を反応層０４Ａ，０４Ｂ
側へ供給すると、各反応層０４Ａ，０４Ｂと電解質膜０
２との界面で次のような反応が起こる。 反応層０４Ａの界面： Ｏ2 ＋４Ｈ+ ＋４ｅ- →２Ｈ2 Ｏ 反応層０４Ｂの界面： ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- ここで、４Ｈ+ は電解質膜０２を通って水素極から酸素
極へ流れるが、４ｅ-は負荷０６を通って水素極から酸
素極へ流れることになり、電気エネルギーが得られ。
拡散電極０３Ｂを水素極とし、各々のガス拡散層０５
Ａ，０５Ｂを介して酸素、水素を反応層０４Ａ，０４Ｂ
側へ供給すると、各反応層０４Ａ，０４Ｂと電解質膜０
２との界面で次のような反応が起こる。 反応層０４Ａの界面： Ｏ2 ＋４Ｈ+ ＋４ｅ- →２Ｈ2 Ｏ 反応層０４Ｂの界面： ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- ここで、４Ｈ+ は電解質膜０２を通って水素極から酸素
極へ流れるが、４ｅ-は負荷０６を通って水素極から酸
素極へ流れることになり、電気エネルギーが得られ。
【０００６】一般に、燃料電池の性能を向上させるため
には、反応ガスと触媒と電解質との三者が接する三相帯
界面を増加させればよいことが知られている。上述した
固体高分子電解質膜燃料電池の性能を向上させるために
も同様に三相帯界面を増加させればよい。したがって、
従来、ガス拡散電極０３Ａ，０３Ｂの反応層０４Ａ，０
４Ｂ表面に固体高分子電解質溶液を塗布して乾燥するこ
とにより、固体高分子電解質を反応層０４Ａ，０４Ｂに
含浸させていた。
には、反応ガスと触媒と電解質との三者が接する三相帯
界面を増加させればよいことが知られている。上述した
固体高分子電解質膜燃料電池の性能を向上させるために
も同様に三相帯界面を増加させればよい。したがって、
従来、ガス拡散電極０３Ａ，０３Ｂの反応層０４Ａ，０
４Ｂ表面に固体高分子電解質溶液を塗布して乾燥するこ
とにより、固体高分子電解質を反応層０４Ａ，０４Ｂに
含浸させていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】前述したように反応層
０４Ａ，０４Ｂ表面に固体高分子電解質溶液を塗布して
反応層０４Ａ，０４Ｂに固体高分子電解質を充填する場
合、固体高分子電解質溶液を反応層０４Ａ，０４Ｂの内
部まで浸透させる必要があるため、固体高分子電解質溶
液にはアルコールを含有させている。したがって、固体
高分子電解質が反応層０４Ａ，０４Ｂの親水部，疎水部
を問わずに含浸させることになる。
０４Ａ，０４Ｂ表面に固体高分子電解質溶液を塗布して
反応層０４Ａ，０４Ｂに固体高分子電解質を充填する場
合、固体高分子電解質溶液を反応層０４Ａ，０４Ｂの内
部まで浸透させる必要があるため、固体高分子電解質溶
液にはアルコールを含有させている。したがって、固体
高分子電解質が反応層０４Ａ，０４Ｂの親水部，疎水部
を問わずに含浸させることになる。
【０００８】しかしながら、反応層０４Ａ，０４Ｂにお
いて三相帯界面を増加させて電池反応の効率を向上させ
るには、親水部の細孔には電解質があるが疎水部の細孔
にはガスが存在しなければならない。したがって、上述
したように反応層０４Ａ，０４Ｂに固体高分子電解質を
充填しても電池反応の効率を大幅に向上させることはで
きないという問題はある。また、固体高分子電解質溶液
を塗布する方法では、大きなガス拡散電極に対して均一
に固体高分子電解質を充填できないという問題もある。
いて三相帯界面を増加させて電池反応の効率を向上させ
るには、親水部の細孔には電解質があるが疎水部の細孔
にはガスが存在しなければならない。したがって、上述
したように反応層０４Ａ，０４Ｂに固体高分子電解質を
充填しても電池反応の効率を大幅に向上させることはで
きないという問題はある。また、固体高分子電解質溶液
を塗布する方法では、大きなガス拡散電極に対して均一
に固体高分子電解質を充填できないという問題もある。
【０００９】本発明はこのような事情に鑑み、ガス拡散
電極の反応層の最適な位置に固体高分子電解質を充填し
て性能向上を図ることができるガス拡散電極への固体高
分子電解質充填法及びその装置を提供することを目的と
する。
電極の反応層の最適な位置に固体高分子電解質を充填し
て性能向上を図ることができるガス拡散電極への固体高
分子電解質充填法及びその装置を提供することを目的と
する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明に係るガス拡散電極への固体高分子電解質充填法は、
親水部及び疎水部が混在する反応層とガス拡散層とから
なるガス拡散電極の反応層に固体高分子電解質を充填す
る方法において、上記反応層側へ固体高分子電解質水溶
液を接触させると共に加圧して該固体高分子電解質水溶
液を上記反応層へ圧入した後、その水分を蒸発させるこ
とを特徴とし、また、親水部及び疎水部が混在する反応
層とガス拡散層とからなるガス拡散電極の反応層に固体
高分子電解質を充填する方法において、上記反応層側へ
固体高分子電解質水溶液を接触させると共に加圧して該
固体高分子電解質水溶液を上記反応層へ圧入しつつ、上
記ガス拡散層側に乾燥気体を流すか又はガス拡散層側か
ら減圧することを特徴とする。
明に係るガス拡散電極への固体高分子電解質充填法は、
親水部及び疎水部が混在する反応層とガス拡散層とから
なるガス拡散電極の反応層に固体高分子電解質を充填す
る方法において、上記反応層側へ固体高分子電解質水溶
液を接触させると共に加圧して該固体高分子電解質水溶
液を上記反応層へ圧入した後、その水分を蒸発させるこ
とを特徴とし、また、親水部及び疎水部が混在する反応
層とガス拡散層とからなるガス拡散電極の反応層に固体
高分子電解質を充填する方法において、上記反応層側へ
固体高分子電解質水溶液を接触させると共に加圧して該
固体高分子電解質水溶液を上記反応層へ圧入しつつ、上
記ガス拡散層側に乾燥気体を流すか又はガス拡散層側か
ら減圧することを特徴とする。
【００１１】さらに、本発明に係るガス拡散電極への固
体高分子電解質充填装置は、親水部及び疎水部が混在す
る反応層とガス拡散層とからなるガス拡散電極を挾持す
る電解質水溶液供給部と水分乾燥部とからなり、上記反
応層と接触する電解質水溶液供給部は固体高分子電解質
水溶液を当該反応層に接触保持する電解質水溶液保持部
を有すると共にこの電解質水溶液保持部に保持されてい
る固体高分子電解質水溶液を当該反応層に向って任意の
圧力で接触させる加圧制御手段を具備し、一方、上記ガ
ス拡散層と接触する水分乾燥部は当該ガス拡散層に接触
する多孔質体を有すると共にこの多孔質体を介して当該
ガス拡散層に乾燥気体を供給するか又は当該ガス拡散層
側から減圧する水分乾燥手段を具備することを特徴とす
る。
体高分子電解質充填装置は、親水部及び疎水部が混在す
る反応層とガス拡散層とからなるガス拡散電極を挾持す
る電解質水溶液供給部と水分乾燥部とからなり、上記反
応層と接触する電解質水溶液供給部は固体高分子電解質
水溶液を当該反応層に接触保持する電解質水溶液保持部
を有すると共にこの電解質水溶液保持部に保持されてい
る固体高分子電解質水溶液を当該反応層に向って任意の
圧力で接触させる加圧制御手段を具備し、一方、上記ガ
ス拡散層と接触する水分乾燥部は当該ガス拡散層に接触
する多孔質体を有すると共にこの多孔質体を介して当該
ガス拡散層に乾燥気体を供給するか又は当該ガス拡散層
側から減圧する水分乾燥手段を具備することを特徴とす
る。
【００１２】
【作用】前記構成の固体高分子電解質充填法では、固体
高分子電解質水溶液を反応層に圧入するので、固体高分
子電解質水溶液は親水部の細孔に選択的に圧入される。
そして、これを乾燥することにより固体高分子電解質は
反応層の親水部に充填される。この乾燥は、固体高分子
電解質水溶液を反応層へ圧入しつつ、ガス拡散膜側から
乾燥気体を供給するか減圧するかすることにより容易に
行える。
高分子電解質水溶液を反応層に圧入するので、固体高分
子電解質水溶液は親水部の細孔に選択的に圧入される。
そして、これを乾燥することにより固体高分子電解質は
反応層の親水部に充填される。この乾燥は、固体高分子
電解質水溶液を反応層へ圧入しつつ、ガス拡散膜側から
乾燥気体を供給するか減圧するかすることにより容易に
行える。
【００１３】また、前記構成の固体高分子電解質充填装
置では、電解質水溶液供給部の電解質水溶液保持部に固
体高分子電解質水溶液を保持した状態で該電解質水溶液
供給部と水分乾燥部とでガス拡散電極を挾持して反応層
に固体高分子電解質水溶液を加圧制御手段により上記反
応層に向って所定の圧力で接触させると共に、水分乾燥
手段によりガス拡散層に接触する多孔質体を介して乾燥
気体をガス拡散層側へ供給するかガス拡散層側から減圧
する。これにより、固体高分子電解質水溶液は反応層の
所望の位置の親水部まで圧入され、その位置で乾燥され
て充填される。
置では、電解質水溶液供給部の電解質水溶液保持部に固
体高分子電解質水溶液を保持した状態で該電解質水溶液
供給部と水分乾燥部とでガス拡散電極を挾持して反応層
に固体高分子電解質水溶液を加圧制御手段により上記反
応層に向って所定の圧力で接触させると共に、水分乾燥
手段によりガス拡散層に接触する多孔質体を介して乾燥
気体をガス拡散層側へ供給するかガス拡散層側から減圧
する。これにより、固体高分子電解質水溶液は反応層の
所望の位置の親水部まで圧入され、その位置で乾燥され
て充填される。
【００１４】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００１５】図１には本発明方法を実施するための装置
の一例を示す。同図中、１は電解質水溶液供給部、２は
水分乾燥部、３はこれらの挾持されるガス拡散電極を示
す。
の一例を示す。同図中、１は電解質水溶液供給部、２は
水分乾燥部、３はこれらの挾持されるガス拡散電極を示
す。
【００１６】電解質水溶液供給部１は例えば板状のステ
ンレス部材からなる電解質水溶液供給部本体４の表面に
固体高分子電解質水溶液が保持できる凹部となる電解質
水溶液保持部５が形状されたものであり、電解質水溶液
供給部本体４中には電解質水溶液保持部５の底部と本体
４の側面に形成された加圧水導入口６とを連通する加圧
水通路７が形成されている。電解質水溶液保持部５には
撥水性シート８を収納されていると共に、この撥水性シ
ート８の上に固体高分子電解質水溶液９が保持されてお
り、撥水性シート８は、固体高分子電解質水溶液９と加
圧水通路７から導入される加圧水とを隔離することにな
る。また、電解質水溶液供給部本体４の表面の電解質水
溶液保持部５の周囲には溝１０が形成されており、この
溝１０内にはＯリング１１が設けられている。
ンレス部材からなる電解質水溶液供給部本体４の表面に
固体高分子電解質水溶液が保持できる凹部となる電解質
水溶液保持部５が形状されたものであり、電解質水溶液
供給部本体４中には電解質水溶液保持部５の底部と本体
４の側面に形成された加圧水導入口６とを連通する加圧
水通路７が形成されている。電解質水溶液保持部５には
撥水性シート８を収納されていると共に、この撥水性シ
ート８の上に固体高分子電解質水溶液９が保持されてお
り、撥水性シート８は、固体高分子電解質水溶液９と加
圧水通路７から導入される加圧水とを隔離することにな
る。また、電解質水溶液供給部本体４の表面の電解質水
溶液保持部５の周囲には溝１０が形成されており、この
溝１０内にはＯリング１１が設けられている。
【００１７】一方、水分乾燥部２は、例えば板状のステ
ンレス部材からなる水分乾燥部本体１２のガス拡散電極
３側表面に板状の多孔質体１３を設けたものである。多
孔質体１３は連続気孔を有して乾燥気体等が透過しうる
ものであれば特に限定されないが、例えばステンレスな
どの金属製やセラミックス焼結体などを用いればよい。
また、水分乾燥部２内には一端がそれぞれ乾燥気体導入
口１４及び乾燥気体排出口１５に連通する乾燥気体通路
１６，１７が形成されており、乾燥気体通路１６，１７
の他端は多孔質体１３の裏面側に連通している。すなわ
ち、乾燥気体導入口１４から導入される乾燥空気などの
乾燥気体は乾燥気体通路１６から多孔質体１３に入り、
ガス拡散電極３内へ供給された後、乾燥気体通路１７を
通って乾燥気体排出口１５から排出されるようになって
いる。なお、電解質水溶液供給部本体４及び乾燥気体供
給本体１２にはそれぞれヒータ挿入穴１８及び温度測定
穴１９が形成されており、ヒータ及び温度センサが挿入
できるようになっている。
ンレス部材からなる水分乾燥部本体１２のガス拡散電極
３側表面に板状の多孔質体１３を設けたものである。多
孔質体１３は連続気孔を有して乾燥気体等が透過しうる
ものであれば特に限定されないが、例えばステンレスな
どの金属製やセラミックス焼結体などを用いればよい。
また、水分乾燥部２内には一端がそれぞれ乾燥気体導入
口１４及び乾燥気体排出口１５に連通する乾燥気体通路
１６，１７が形成されており、乾燥気体通路１６，１７
の他端は多孔質体１３の裏面側に連通している。すなわ
ち、乾燥気体導入口１４から導入される乾燥空気などの
乾燥気体は乾燥気体通路１６から多孔質体１３に入り、
ガス拡散電極３内へ供給された後、乾燥気体通路１７を
通って乾燥気体排出口１５から排出されるようになって
いる。なお、電解質水溶液供給部本体４及び乾燥気体供
給本体１２にはそれぞれヒータ挿入穴１８及び温度測定
穴１９が形成されており、ヒータ及び温度センサが挿入
できるようになっている。
【００１８】また、ガス拡散電極３は電解質水溶液供給
部１側の反応層３ａと水分乾燥部２側のガス拡散層３ｂ
とからなる。ここで、ガス拡散層３ｂは疎水性カーボン
微粒子とポリテトラフロロエチレン等の弗素樹脂とで作
られており、空孔率は６０％以上で疎水性細孔から成
る。そのため気体は容易に透過できるが電解液の透過は
阻止される。例えば膜の片側に２０kg／cm2 の水圧をか
けても他方に水は漏れないけれどもガスは容易に反応層
３ａに供給される。
部１側の反応層３ａと水分乾燥部２側のガス拡散層３ｂ
とからなる。ここで、ガス拡散層３ｂは疎水性カーボン
微粒子とポリテトラフロロエチレン等の弗素樹脂とで作
られており、空孔率は６０％以上で疎水性細孔から成
る。そのため気体は容易に透過できるが電解液の透過は
阻止される。例えば膜の片側に２０kg／cm2 の水圧をか
けても他方に水は漏れないけれどもガスは容易に反応層
３ａに供給される。
【００１９】一方、反応層３ａは、一般に弗素樹脂又は
弗素樹脂と親水性カーボン微粒子とからなる親水部と、
疎水性カーボン微粒子と弗素樹脂とからなる疎水部とが
微細に混合されて形成されているものであり、親水部に
触媒が担持される。また、親水部は水溶液系を用いる燃
焼電池では電解液が浸透できるものであり、一方、疎水
部はガス拡散層３ｂを通って供給される気体、例えば燃
料電池の反応気体である水素や酸素が透過できるので、
当該反応層３ａに接合される電解質と親水部中の触媒と
の近傍に上述した反応気体が容易に供給される。なお、
反応に関与する電極表面積は、見かけの５００倍以上と
なるので、反応速度は著しく大きくなるが、そのとき必
要な反応気体は疎水部の細孔を通って十分に供給され
る。
弗素樹脂と親水性カーボン微粒子とからなる親水部と、
疎水性カーボン微粒子と弗素樹脂とからなる疎水部とが
微細に混合されて形成されているものであり、親水部に
触媒が担持される。また、親水部は水溶液系を用いる燃
焼電池では電解液が浸透できるものであり、一方、疎水
部はガス拡散層３ｂを通って供給される気体、例えば燃
料電池の反応気体である水素や酸素が透過できるので、
当該反応層３ａに接合される電解質と親水部中の触媒と
の近傍に上述した反応気体が容易に供給される。なお、
反応に関与する電極表面積は、見かけの５００倍以上と
なるので、反応速度は著しく大きくなるが、そのとき必
要な反応気体は疎水部の細孔を通って十分に供給され
る。
【００２０】このようなガス拡散電極３を固体高分子電
解質膜燃料電池に用いる場合、反応層３ａの親水部に固
体高分子電解質が充填されていれば電池反応が活発に起
こることになるが、前述した従来方法によると反応層３
ａの親水部のみらず疎水部にまで固体高分子電解質が充
填されてしまい、ガスの通路である疎水性細孔が塞がれ
てしまう。なお、従来方法においてアルコールの添加量
により浸透性を制御することも考えられるが、溶媒を除
去するときにアルコール濃度が変化するので、実質的に
不可能である。
解質膜燃料電池に用いる場合、反応層３ａの親水部に固
体高分子電解質が充填されていれば電池反応が活発に起
こることになるが、前述した従来方法によると反応層３
ａの親水部のみらず疎水部にまで固体高分子電解質が充
填されてしまい、ガスの通路である疎水性細孔が塞がれ
てしまう。なお、従来方法においてアルコールの添加量
により浸透性を制御することも考えられるが、溶媒を除
去するときにアルコール濃度が変化するので、実質的に
不可能である。
【００２１】以下に、本発明方法によりガス拡散電極の
反応層３ａの親水部に選択的に固体高分子電解質を充填
する具体例を示す。
反応層３ａの親水部に選択的に固体高分子電解質を充填
する具体例を示す。
【００２２】（実施例１）撥水性シート８としての厚さ
２０μｍの弗素樹脂膜（ネオフロンフィルム；ダイキン
工業（株）製）を電解質水溶液供給部５上にセットし、
この撥水性シート８上に固体高分子電解質水溶液９を１
５ml入れ、この上からガス拡散電極３を反応層３ａを下
にして置き、さらに水分乾燥部２をかぶせる。そして、
電解質水溶液供給部１と水分乾燥部２とを締結し、固体
高分子電解質水溶液９を加圧しても両者の間から液漏れ
がないようにする。そして、加圧水を加圧水導入口６か
ら例えば１０気圧の圧力で導入して触媒溶液９を反応層
３ａに向って加圧した後、乾燥気体として乾燥空気を乾
燥気体導入口１４から供給する。これにより、反応層３
ａの親水部に固体高分子電解質水溶液が圧入され且つこ
の固体高分子電解質水溶液中の水分が乾燥空気により除
去され、親水部の細孔に固体高分子電解質が充填され
た。なお、ガス拡散電極３としては、平均粒径４５０Å
の親水性カーボンブラックと疎水性カーボンブラックと
平均粒径０．３μのポリテトラフロロエチレンとが７：
４：３の割合で成る反応層３ａと、平均粒径４２０Åの
疎水性カーボンブラックと平均粒径０３μのポリテトラ
フロロエチレンとが７：３の割合から成るガス拡散層３
ｂとから構成されているものを用いた。これら反応層３
ａ及びガス拡散層３ｂは、各原料粉末にソルベントナフ
サ、アルコール、水、炭化水素などの溶媒を混合した
後、圧縮成形することにより得ることができ、これらを
重ねて圧延することによりガス拡散電極３を得ることが
できる。また、反応層３ａには１．０mg／cm2 の白金を
担持してある。
２０μｍの弗素樹脂膜（ネオフロンフィルム；ダイキン
工業（株）製）を電解質水溶液供給部５上にセットし、
この撥水性シート８上に固体高分子電解質水溶液９を１
５ml入れ、この上からガス拡散電極３を反応層３ａを下
にして置き、さらに水分乾燥部２をかぶせる。そして、
電解質水溶液供給部１と水分乾燥部２とを締結し、固体
高分子電解質水溶液９を加圧しても両者の間から液漏れ
がないようにする。そして、加圧水を加圧水導入口６か
ら例えば１０気圧の圧力で導入して触媒溶液９を反応層
３ａに向って加圧した後、乾燥気体として乾燥空気を乾
燥気体導入口１４から供給する。これにより、反応層３
ａの親水部に固体高分子電解質水溶液が圧入され且つこ
の固体高分子電解質水溶液中の水分が乾燥空気により除
去され、親水部の細孔に固体高分子電解質が充填され
た。なお、ガス拡散電極３としては、平均粒径４５０Å
の親水性カーボンブラックと疎水性カーボンブラックと
平均粒径０．３μのポリテトラフロロエチレンとが７：
４：３の割合で成る反応層３ａと、平均粒径４２０Åの
疎水性カーボンブラックと平均粒径０３μのポリテトラ
フロロエチレンとが７：３の割合から成るガス拡散層３
ｂとから構成されているものを用いた。これら反応層３
ａ及びガス拡散層３ｂは、各原料粉末にソルベントナフ
サ、アルコール、水、炭化水素などの溶媒を混合した
後、圧縮成形することにより得ることができ、これらを
重ねて圧延することによりガス拡散電極３を得ることが
できる。また、反応層３ａには１．０mg／cm2 の白金を
担持してある。
【００２３】上述したように反応層３ａの親水部に固体
高分子電解質を充填した２枚のガス拡散電極３の間に、
０．１７mmの固体高分子電解質膜（ナフィオン１１７：
デュポン社、商品名）を挾み、これらをその周囲をラバ
ーなどの弾性材で囲んだ状態でプレスする、いわゆるラ
バープレス法により１８０℃、５００kg／cm2 で５分間
プレスして接合し、固体高分子電解質膜燃料電池本体と
した。そして、電池温度９５℃とし、水素及び酸素をそ
れぞれ２気圧で供給して電池性能を評価したところ、
０．５Ｖ−１．０６Ａ／cm2 であった。なお、比較のた
め、同様のガス拡散電極にアルコール含有固体高分子電
解質水溶液を塗布するという従来方法で固体高分子電解
質を充填した後、同様に固体高分子電解質膜燃料電池本
体をつくり、同様に電池性能を評価したところ、０．５
Ｖ−０．５５Ａ／cm2 であった。
高分子電解質を充填した２枚のガス拡散電極３の間に、
０．１７mmの固体高分子電解質膜（ナフィオン１１７：
デュポン社、商品名）を挾み、これらをその周囲をラバ
ーなどの弾性材で囲んだ状態でプレスする、いわゆるラ
バープレス法により１８０℃、５００kg／cm2 で５分間
プレスして接合し、固体高分子電解質膜燃料電池本体と
した。そして、電池温度９５℃とし、水素及び酸素をそ
れぞれ２気圧で供給して電池性能を評価したところ、
０．５Ｖ−１．０６Ａ／cm2 であった。なお、比較のた
め、同様のガス拡散電極にアルコール含有固体高分子電
解質水溶液を塗布するという従来方法で固体高分子電解
質を充填した後、同様に固体高分子電解質膜燃料電池本
体をつくり、同様に電池性能を評価したところ、０．５
Ｖ−０．５５Ａ／cm2 であった。
【００２４】（実施例２）実施例１において、乾燥気体
導入口１４から乾燥空気を導入する代りに、乾燥気体導
入口１４を塞いで乾燥気体排出口１５から減圧すること
により、水分を減圧乾燥し、反応層３ａ中に固体高分子
電解質を充填した。かかるガス拡散電極３を用いて固体
高分子電解質膜燃料電池本体を作成し、同様に電池性能
を評価したところ、０．５Ｖ−１．１０Ａ／cm2 であっ
た。
導入口１４から乾燥空気を導入する代りに、乾燥気体導
入口１４を塞いで乾燥気体排出口１５から減圧すること
により、水分を減圧乾燥し、反応層３ａ中に固体高分子
電解質を充填した。かかるガス拡散電極３を用いて固体
高分子電解質膜燃料電池本体を作成し、同様に電池性能
を評価したところ、０．５Ｖ−１．１０Ａ／cm2 であっ
た。
【００２５】以上の実施例においては、従来の固体高分
子電解質充填法によるものに比べて固体高分子電解質が
親水部に選択的に充填されるため、反応が能率よく起こ
り、例えば燃料電池に用いた場合の性能が大幅に向上し
た。なお、上記実施例１では固体高分子電解質水溶液９
の加圧に水をもちいたが、勿論これに限定されず、他の
液体や気体を用いてもよい。また、撥水性シート８を使
用せずに、固体高分子電解質水溶液自体を用いて加圧す
るようにしてもよい。
子電解質充填法によるものに比べて固体高分子電解質が
親水部に選択的に充填されるため、反応が能率よく起こ
り、例えば燃料電池に用いた場合の性能が大幅に向上し
た。なお、上記実施例１では固体高分子電解質水溶液９
の加圧に水をもちいたが、勿論これに限定されず、他の
液体や気体を用いてもよい。また、撥水性シート８を使
用せずに、固体高分子電解質水溶液自体を用いて加圧す
るようにしてもよい。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
反応層の親水部のみに選択的に固体高分子電解質を担持
できるので、三相帯界面が増加して電池反応の効率が向
上する。また、固体高分子電解質水溶液を塗布する必要
がなく、且つ固体高分子電解質水溶液の供給と乾燥とを
一工程で行うことができるので、大きな電極に対しても
面方向に均一に固体高分子電解質を充填することがで
き、且つ生産効率が高いという効果も奏する。
反応層の親水部のみに選択的に固体高分子電解質を担持
できるので、三相帯界面が増加して電池反応の効率が向
上する。また、固体高分子電解質水溶液を塗布する必要
がなく、且つ固体高分子電解質水溶液の供給と乾燥とを
一工程で行うことができるので、大きな電極に対しても
面方向に均一に固体高分子電解質を充填することがで
き、且つ生産効率が高いという効果も奏する。
【図１】実施例で用いた固体高分子電解質充填装置の断
面図である。
面図である。
【図２】固体高分子電解質膜燃料電池本体の基本構造の
概念図である。
概念図である。
１ 電解質水溶液供給部 ２ 水分乾燥部 ３ ガス拡散電極 ３ａ 反応層 ３ｂ ガス拡散層 ４ 電解質水溶液供給部本体 ５ 電解質水溶液保持部 ６ 加圧水導入口 ８ 撥水性シート ９ 固体高分子電解質水溶液 １２ 水分乾燥部本体 １３ 多孔質体 １４ 乾燥気体導入口 １５ 乾燥気体排出口 １８ ヒータ挿入穴 １９ 温度測定穴
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−208260（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−314989（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−220565（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 4/88 H01M 4/86 H01M 8/02
Claims (3)
- 【請求項１】 親水部及び疎水部が混在する反応層とガ
ス拡散層とからなるガス拡散電極の反応層に固体高分子
電解質を充填する方法において、上記反応層側へ固体高
分子電解質水溶液を接触させると共に加圧して該固体高
分子電解質水溶液を上記反応層へ圧入した後、その水分
を蒸発させることを特徴とするガス拡散電極への固体高
分子電解質充填法。 - 【請求項２】 親水部及び疎水部が混在する反応層とガ
ス拡散層とからなるガス拡散電極の反応層に固体高分子
電解質を充填する方法において、上記反応層側へ固体高
分子電解質水溶液を接触させると共に加圧して該固体高
分子電解質水溶液を上記反応層へ圧入しつつ、上記ガス
拡散層側に乾燥気体を流すか又はガス拡散層側から減圧
することを特徴とするガス拡散電極への固体高分子電解
質充填法。 - 【請求項３】 親水部及び疎水部が混在する反応層とガ
ス拡散層とからなるガス拡散電極を挾持する電解質水溶
液供給部と水分乾燥部とからなり、上記反応層と接触す
る電解質水溶液供給部は固体高分子電解質水溶液を当該
反応層に接触保持する電解質水溶液保持部を有すると共
にこの電解質水溶液保持部に保持されている固体高分子
電解質水溶液を当該反応層に向って任意の圧力で接触さ
せる加圧制御手段を具備し、一方、上記ガス拡散層と接
触する水分乾燥部は当該ガス拡散層に接触する多孔質体
を有すると共にこの多孔質体を介して当該ガス拡散層に
乾燥気体を供給するか又は当該ガス拡散層側から減圧す
る水分乾燥手段を具備することを特徴とするガス拡散電
極への固体高分子電解質充填装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04120347A JP3117280B2 (ja) | 1992-05-13 | 1992-05-13 | ガス拡散電極への固体高分子電解質充填法及びその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04120347A JP3117280B2 (ja) | 1992-05-13 | 1992-05-13 | ガス拡散電極への固体高分子電解質充填法及びその装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05314990A JPH05314990A (ja) | 1993-11-26 |
| JP3117280B2 true JP3117280B2 (ja) | 2000-12-11 |
Family
ID=14783990
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04120347A Expired - Fee Related JP3117280B2 (ja) | 1992-05-13 | 1992-05-13 | ガス拡散電極への固体高分子電解質充填法及びその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3117280B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2826781B1 (fr) * | 2001-06-29 | 2003-09-05 | Commissariat Energie Atomique | Assemblage de pile a combustible a diffuseur bicouche et procede de creation |
| KR100706206B1 (ko) * | 2005-10-24 | 2007-04-12 | 삼성전자주식회사 | 인버터 압축기의 예열 장치 및 그 방법 |
| JP5021292B2 (ja) * | 2006-12-26 | 2012-09-05 | 新日本製鐵株式会社 | 燃料電池 |
| JP5130801B2 (ja) * | 2007-06-28 | 2013-01-30 | 日産自動車株式会社 | ガス拡散電極用材料の製造方法、ガス拡散電極及びガス拡散電極用材料製造装置 |
-
1992
- 1992-05-13 JP JP04120347A patent/JP3117280B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05314990A (ja) | 1993-11-26 |
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